电火花表面处理技术及其在模具中的应用

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（天津职业技术师范大学，天津 300222）

摘 要：简述了模具在产品制造业中的重要性及存在问题，介绍了电火花表面技术的强化层特性及其优点，重点突出电火花表面处理技术在模具强化和损伤修复中的应用和重要意义，并展望了电火花表面处理技术在模具业的发展前景。

关键词：电火花;表面处理;模具;强化;损伤修复

模具工业是国家经济发展的基础产业，是先进制造业的重要组成部分，同时也是一个国家制造业水平的重要体现。但是模具在设计、生产和使用时难免出现各种问题，如模具开发设计过程中的尺寸误差过大;模具制造时人为因素产生的划擦;运行中源于外界的复杂的载荷使模具表面产生的变形和断裂，甚至表面失效破坏。这不仅使模具表面精度极度下降，还会对后期产品质量带来严重影响。对于上述棘手问题，若通过厂家前来维修、模具返厂、更换新模具来解决，既浪费时间，造成重大损失，又可能会增大生产成本。所以如何提高模具的质量、可靠性和模具使用寿命是模具研制和探索中的核心技术。

为改善和解决上述问题，对模具实施一定的表面处理技术是一种行之有效的重要途径。而电火花表面处理技术[1～2]，既能改善模具表面质量，提高硬度和表面耐性等性能[3]，又能修复模具表面磨损破坏部位，实现模具的“废物再利用”，延长模具的生命全周期，使模具能够再次投入生产，减小损失，大大提高经济效益和社会效益。

1 电火花表面技术

电火花表面技术，是利用脉冲电流瞬间放电产生的高能量密度电能，使电极材料和工件表面材料在高温高压下局部熔化，在工件表面相互熔渗扩散，发生物理化学反应而形成的具有优良性能的合金化层。强化过程大致分为：高温高压下熔融材料发生物理化学冶金反应;熔融区基体材料和电极材料以及液体与固体界面的相互扩散;温度急剧升温和快速冷却使熔区发生奥氏体和马氏体转变，细化晶粒，产生残余应力，从而提高疲劳强度。

对于强化层，它的特性与其他表面处理工艺有所区别。电火花强化层的表面形貌是由很多密集的增强相点和放电凹坑组成，这种结构有利于提高表面耐磨性。强化层组织大致分为三层：强化电极和工件材料元素及氧化物、氮化物组成的表层;内侧是由电极材料熔渗扩散到基体后，经瞬间高温淬火形成的扩散层;再往里是基体组织。可见强化层的形成不是简单的材料堆积和叠加，而是由电极、工件元素以及空气电离粒子等发生剧烈的物理化学反应而重新合金化的结果。

2 电火花表面技术在模具上的应用

生活中轻工产品、家用电器已有80%以上的零部件采用模具成型，其他如机械、电机、仪表等行业也占60%以上，同时模具的发展在很大程度上也决定着后续产品的质量、经济效益及新产品的开发，所以模具在制造业中扮演着越来越关键的角色。而电火花处理技术对工件表面强化和损伤部位的修复操作方便，且成本低、能耗小，近年来来在模具领域应用甚广。如材料为Cr12的定子双槽模的表面强化，工件材料是硅钢片，强化部位是刃口内侧面，强化后根据尺寸配合进行后处理。强化结果显示，刃磨一次的使用寿命从原始的5万次提高到20万次，使用寿命提高3倍左右，耐磨性明显改善。何水云等人对全顺后立柱板进行了电火花表面强化和修复[4]，减少模具拉伤状况。张蓉对模具的磨损表面也做了相关研究[5]，针对不同的模具损坏提出了相应的修复方案，如HYK6700型汽车底梁拉模的凹模凸缘和圆角部分，通过电火花放电修复，重新投入使用，且延长了使用寿命。另外，在对Cr12MoV钢为材料制作的冷模具的棱边磨损和划痕表面修复和补焊[6]，以及采用电火花表面技术强化修复后的模芯方面也获得较好的效果。

相比于其他表面处理技术如堆焊、PVD、CVD等等，电火花表面处理技术有以下独特之处：

（1）应用范围广，可适应于众多导电材料，以及可熔融金属和陶瓷材料。

（2）易于实现自动化，在表面强化或修补的同时，不会产生噪声、水等污染，是一种良好的环境友好型表面处理技术。

（3）可应用在构造复杂、装卸不便的零部件的表面强化和磨损修复，如零件的内孔、凹槽等部位。

（4）操作简单，对需要强化的部位要求不高，仅仅简单的前处理即可。对有些表面粗糙度要求不高的情况下，甚至可以不做处理。

（5）能量输入低，瞬间的脉冲电流能量使强化区域局部熔化，热影响区及变形较小，能保持基体的内部力学性能，故对基体的影响甚微。

（6）冷却凝固所需时间极短。电火花放电脉冲宽度比脉冲间隔大，放电产生热量迅速扩散到工件其它位置，所以热量不会聚集在强化或修复部位，实现冷焊。

（7）强化层与基体的冶金相结合度较强，不易脱落和皲裂，明显优于其它处理技术。

（8）强化层组织细密，厚度均匀，一致性较好。

（9）电火花放电设备携带便捷。这对于大型笨重工件或装卸困难的设备实施表面强化或在线表面修复尤为重要。

3 模具电火花表面技术发展前景

近年来，随着科学技术的发展和各种新材料、新工艺和新技术的出现，产品功能的多样化和结构的日趋复杂化，这就要求结构和设计更为复杂的模具与之相适应。在一定程度上大力推动了模具朝着高精度、寿命长、制造周期短、低成本低以及中高档方向迅速发展，使模具具有更为优越的使用性能和价值。

电火花表面技术是以传统处理方法为根基，继续延伸和扩展而成一种表面技术，具有多种技术、理论和方法的交叉性与综合性。而模具电火花表面强化和修复是制造业节约成本和节能降耗的有效手段，通过改善传统的表面处理技术或者在其基础上融合各种处理技术，开拓创新出更适宜提高现代模具性能的强化工艺方法，实现了节约稀有金属材料和降低能耗的目的。对于因尺寸设计不当导致的错误加工以及运作过程中出现的磨蚀，采用电火花技术进行及时补救和修复，可使报废模具获得再生，最大限度的减少经济损失，为企业和社会创造更大效益。鉴于电火花处理技术的易操作、低能耗和小成本等优点，这种技术在模具行业的应用前景将会越来越大，应用领域也会越来越广。

4 结语

电火花表面强化技术对模具制造业的发展起到不可估量的作用。一是“防患于未然”，即通过这种处理技术，提高模具表面特性，延长其使用寿命;二是“亡羊补牢”，也就是对因生产超差、运行磨损和源于恶劣工况影响导致的模具破坏进行修复，使其投入再生产，延长模具生命全周期，最大挖掘产品的使用潜能，使其创造更大的经济效益和社会效益，同时也是积极响应国家“节能降耗，大力倡导可持续发展战略”的完美体现。迫于模具产业发展的高要求以及制造业的不断壮大，电火花表面处理技术在模

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具上的应用也将得到进一步推广，同时在其他众多领域也势必得到更为广泛的应用。

参考文献：

[1]游国强，陈勇，张均成等.电火花堆焊技术的研究与应用现状[J]. 材料导报，2011，25（11）：119-123.

[2]钱苗根.现代表面工程[M].上海：上海交通大学出版社，2012.

[3]高玉魁.模具的表面强化与涂层改性工艺技术[J].金属加工，2009（09）：17-19.

[4]何水云，杨安.电火花堆焊工艺在冲压模具维修上的应用[J]. 金属成形工艺，2004，22（03）：72-77.

[5]张蓉，杨湘红.用电火花强化工艺修复模具磨损表面[J].模具制造，2003（03）：49-50.

[6]胡仲翔，杨军伟，李强.微区脉冲点焊技术用于模具修复[J]. 中国表面工程，2002（01）：21.

作者简介：潘康（1987-），男，河南商丘人，硕士，研究方向：特种加工与精密制造。